Piotr Jermołowicz - Inżynieria Środowiska Szczecin Zagęszczanie - badania jakości. Prawidłowe wbudowanie materiału w nasyp ocenia się poprzez zagęszczenie gruntu, które opisane może być następującymi parametrami mechanicznymi: Is - wskaźnikiem zagęszczenia, ID - stopniem zagęszczenia, E1,2 - modułami odkształcenia podłoża, Evd - modułem dynamicznego odkształcenia podłoża. Wbudowywany grunt w nasyp powinien być układany warstwami o miąższości dobranymi do projektowanego sprzętu zagęszczającego. Bardzo ważnym i istotnym parametrem przy formowaniu budowli ziemnej jest wilgotność naturalna używanego materiału. Wilgotność wbudowywanego gruntu powinna być zbliżona do jego wilgotności optymalnej tj., wn = wopt ± 2%. Istotnym elementem, przy warstwowej budowie nasypów, jest zgodna ze sztuką inżynierską, konieczność zagęszczenia każdej warstwy nasypu do uzyskania zaprojektowanego parametru mechanicznego. 1. Znaczenie wilgotności optymalnej. Najważniejszym czynnikiem wpływającym na zagęszczenie gruntu jest jego wilgotność w czasie zagęszczania. Różnice w zachowaniu się gruntu w czasie jego zagęszczania zależą głównie od wytrzymałości gruntu związanej ściśle z jego wilgotnością. Przy małej wilgotności grunty mają zwykle dużą wytrzymałość i są sztywne", a co za tym idzie - trudne do zagęszczania. Przy zwiększającej się wilgotności grunty tracą swą wytrzymałość i łatwiej można je ugniatać. Najbardziej celowe jest wbudowanie w korpus drogowy gruntów o wilgotności optymalnej lub zbliżonej do optymalnej, nie mniejszej jednak od 0,9 wilgotności optymalnej, wtedy bowiem zagęszczenie wykonuje się przy najmniejszym, zużyciu energii. Zagęszczanie gruntów przy wilgotności większej od optymalnej jest nieefektywne, a najczęściej wręcz niemożliwe. Wilgotność optymalną wyznacza się laboratoryjnie lub praktycznie na budowie. Trzeba jednak pamiętać, że badania laboratoryjne stanowią tylko niewielkie przybliżenie warunków polowych i wyniki tych badań muszą być traktowane jako orientacyjne. Laboratoryjny sposób zagęszczania zwykle nie odpowiada zagęszczaniu na budowie (rzadko na budowie stosuje się ubijanie). Poza tym badania laboratoryjne są wykonywane na materiale drobnym (przechodzącym przez sito 7 mm) i trudno je zastosować np. do żwirów i pospółek. Dlatego decydujące znaczenie dla określenia wilgotności optymalnej mają badania i obserwacje w czasie zagęszczania na budowie. Jak wynika z przeprowadzonych badań wilgotność optymalna gliny zmienia się od 18% przy zagęszczaniu walcami ogumionymi do 12% -.przy zagęszczaniu walcami okołkowanymi.
Na ogół dostosowuje się maszyny i liczbę ich przejść do wilgotności gruntu dowożonego na nasyp. Ważną rzeczą jest przy tym, aby zagęszczenie następowało od razu po ułożeniu gruntu, nie dopuszczając do jego wysychania. Należy pamiętać, że grunty sypkie nie wymagają dokładnej kontroli wilgotności i zwiększenie energii nie ma wielkiego wpływu na zmiany stopnia zagęszczenia. Grunty spoiste dają natomiast znaczny przyrost ciężaru objętościowego szkieletu gruntowego przy wzroście energii użytej, do zagęszczania, a zmiany wilgotności mają duży wpływ na zmiany potrzebnej energii. Stąd też wilgotność tych gruntów powinna być dokładnie kontrolowana w czasie zagęszczania. Wilgotnością optymalną ( wopt) gruntu nazywamy taką wilgotność, przy której grunt daje się najbardziej zagęścić. Parametrem decydującym o jakości zagęszczenia gruntu jest w tym przypadku gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρd. Zatem wilgotność optymalna to taka wilgotność, przy której gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρd jest największa i zależy od uziarnienia gruntu. Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego posłużyć może do wyznaczenia innego bardzo ważnego parametru - wskaźnika zagęszczenia Is, charakteryzującego jakość zagęszczenia gruntu w nasypie. Wskaźnik zagęszczenia Is to stosunek gęstości objętościowej szkieletu gruntowego w nasypie ρ d do maksymalnej wartości gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρ ds, uzyskanej w warunkach laboratoryjnych. Porównujemy tutaj zagęszczenie gruntu w nasypie do maksymalnego zagęszczenia tego samego gruntu, uzyskanego w warunkach laboratoryjnych. Wartość Is zbliżona do jedności świadczy o dobrej jakości zagęszczenia nasypu. Wilgotność optymalną wopt i maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρds. oznacza się w aparacie Proctora, polegających na ubijaniu kilku warstw gruntu w cylindrze określoną energią. Ważne jest, aby warunki zagęszczenia w aparacie Proctora odpowiadały warunkom zagęszczania nasypu w skali naturalnej. W tym celu należy wybrać najbardziej odpowiednią metodę zagęszczania gruntu w laboratorium. Wg normy PN-88/B04481 przewiduje się cztery metody określania wilgotności optymalnej wopt i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρds. Warianty oznaczania tych parametrów przedstawia tabela 1. Tabela 1. Metody określania wilgotności optymalnej wg PN-88/B-04481
Rys.1. Schemat aparatu Proctora Badanie kończy się wykonaniem wykresu z krzywą zagęszczenia gruntu. Rys. 2. Krzywa zagęszczalności gruntu Do wyznaczania wilgotności optymalnej Proctor zaproponował próbę odtwarzającą technologiczny proces zagęszczania gruntu (na budowie). Próba Proctora polega na ubijaniu gruntu w znormalizowany sposób w pojemniku walcowym. Po zagęszczeniu kilku próbek tego samego gruntu o różnych wilgotnościach otrzymane wartości ρ d nanosi się na wykres (rys. 2), z którego odczytuje się wilgotność optymalną odpowiadającą maksymalnej gęstości
szkieletu gruntowego ρdmax. Wskaźnikiem uzyskanego zagęszczenia jest I s= ρd ρdmax, w którym ρd jest gęstością objętościową gruntu zagęszczonego. W gruntach sypkich, (niespoistych) pozbawionych frakcji ilastej i pylastej pojęcie wilgotności optymalnej praktycznie nie występuje, a wpływ wilgotności na zagęszczenie jest mniej wyraźny (rys. 3). Maksymalne zagęszczenie gruntów tego rodzaju uzyskuje się przez wibrację, a nie przez ubijanie. Rys.3. Krzywe zagęszczenia ɣd piasków: 1- średnich, 2- pylastych 3-glin. [2] Zagęszczenie gruntów niespoistych, zarówno w stanie naturalnym, jak też sztucznie zagęszczonych, mierzy się stopniem zagęszczenia ID, który jest miarą wzajemnego upakowania (ułożenia) ziaren w odniesieniu do stanu najbardziej luźnego i najbardziej zagęszczonego. Stopień zagęszczenia oblicza się wg wzorów: w których: e, emax, emin wskaźnik porowatości gruntu, odpowiednio w stanie naturalnym, najbardziej luźnym i najbardziej zagęszczonym, ρd, ρdmin, ρdmax - gęstość szkieletu gruntowego w stanach jak wyżej. Grunt jest luźny jeżeli ID 0,33, średnio zagęszczony, gdy 0,33 < ID 0,67 i zagęszczony, jeśli ID >0,67 (wg PN/B-03020).
Tablica 2. Klasyfikacja zagęszczenia gruntów gruboziarnistych wg PN-EN ISO 14688 W praktyce inżynierskiej metody badań zagęszczenia i zagęszczalności gruntu należy podzielić na: laboratoryjne - polegające na wyznaczeniu metodami ubijania maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρds i wilgotności optymalnej wopt gruntu, polowe - bezpośrednie i pośrednie metody wyznaczenia miar zagęszczenia gruntu w warunkach budowy - in situ. Wyznaczenie miar zagęszczenia należy podzielić przede wszystkim na metody bezpośrednie i pośrednie. Metody bezpośrednie polegają na wyznaczeniu gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρd na podstawie pomiaru in situ gęstości objętościowej gruntu ρ i porównaniu wyników liczbowych z wartością maksymalną gęstości objętościowej ρ ds wyznaczoną w warunkach laboratoryjnych. Metody pośrednie polegają na wyznaczeniu stopnia zagęszczenia gruntu I D lub wskaźnika zagęszczenia Is za pomocą badań, na podstawie których wyznaczane są parametry geotechniczne, służące później do obliczenia miar zagęszczenia.
Przykładowymi parametrami pośrednimi określenia miar zagęszczenia są np. moduły sztywności podłoża E2 i E1, moduł dynamiczny odkształcenia podłoża Evd lub liczba uderzeń wpędu sondy na 10 cm (N10). Na schemacie poniżej przedstawiono metody bezpośrednie i pośrednie wyznaczania miar zagęszczenia. Rys.4. Metody bezpośrednie i pośrednie wyznaczania miar jakości zagęszczenia. 2. Wybrane metody badań zagęszczalności gruntu. Wybór metody badania zagęszczenia gruntów uwarunkowany jest przede wszystkim od rodzaju gruntu i w zależności od niego należy dobrać odpowiednią metodę badawczą. W przypadku gruntów gruboziarnistych piaszczystych możliwe jest zastosowanie wszystkich metod badawczych zarówno bezpośrednich, jak i pośrednich. Problem pojawią się natomiast w przypadku badania materiałów zasypowych o frakcjach żwirowych tzn. powyżej 2 mm. W tym przypadku możliwe do zastosowania są metody: bezpośrednie laboratoryjne: np. metoda Proctora, bezpośrednie polowe: np. metoda piasku kalibrowanego, pośrednie polowe: badanie płytą VSS i badanie płytą dynamiczną.
Zastosowanie metod bezpośrednich jest procesem długotrwałym i trudnym do szybkiego weryfikowania prawidłowości zagęszczenia w warunkach budowy, gdzie najistotniejsza jest możliwość szybkiej oceny prawidłowości wbudowania materiału ziemnego. W celu przyspieszenia realizacji oraz ułatwienia badań polowych stosuje się obecnie w przypadku materiałów gruboziarnistych odpowiadających frakcjom żwirowym dwie podstawowe metody badań polowych: badanie płytą typu VSS i badanie płytą dynamiczną. 2.1. Badania płytą typu VSS Badania in situ za pomocą aparatu VSS polega na wyznaczeniu pierwotnego modułu odkształcenia E1, wtórnego modułu odkształcenia E2 - tzw. modułu odkształcenia sprężystego oraz wskaźnika odkształcenia I0 tzn. stosunku modułów wtórnego do pierwotnego E I 0= 2. Pomiar płytą VSS" dokonuje się w dwóch cyklach obciążenia, pomiędzy E1 którymi przeprowadza się proces odciążenia podłoża. Obciążenie odbywa się stopniami co 0,05 MPa do wymaganej wartości końcowej natomiast odciążenie realizuje się stopniami co 0,1 MPa. Moduły odkształcenia określa się z zależności: E1= 3 ρ1 D 4 s1, E 1= 3 ρ2 D 4 s2, gdzie: E1 - pierwotny moduł odkształcenia [MPa], E2 - wtórny moduł odkształcenia [MPa], ρ1,2 - różnica obciążeń w pierwszym (1) i drugim (2) cyklu obciążenia w [MPa], w zakresach zależnych od rodzaju podłoża, gdzie dla podłoża gruntowego zakres wynosi 0,05 0,15 MPa a dla ulepszonego 0,15 0,25, s1,2 - przyrost osiadań w pierwszym (1) i drugim (2) cyklu obciążenia w [mm], odpowiadający zakresom obciążeń, D - średnica płyty pomiarowej i D=300 mm. Na polskim rynku dostępne są następujące aparaty VSS: 3 a - aparat trzypunktowy z licznikami analogowymi, 3e - aparat trzypunktowy z licznikami elektronicznymi, la- aparat jednopunktowy z licznikiem analogowym, 1 e - aparat jednopunktowy z licznikiem elektronicznym.
Jedno- lub trzy-punktowy odnosi się tutaj do liczby liczników zamieszczonych na statywie teleskopowym - w przypadku aparatu le i la lub statywie w kształcie trójnogu - dla aparatów 3a i 3e. Niezależnie od rodzaju narzędzia procedura badania pozostaje niezmienna, różnica polega jedynie na tym, że w przypadku aparatu trzypunktowego bierze się średnią wartość osiadania odczytaną z trzech liczników, a w przypadku aparatu jednopunktowego wartość osiadania otrzymujemy bezpośrednio. Poniżej przedstawiono budowę aparatu trzypunktowego. Rys.5. Budowa aparatu VSS -3a Fot. 1. Aparat VSS-3a w trakcie wykonywania badania.
Rys.6. Budowa aparatu VSS-1a. Fot. 2. Aparat VSS-1a w trakcie badań in situ.
Rys. 7. Graficzne przedstawienie wyników badań z testu VSS. Ocenę prawidłowości zagęszczenia nasypów w zależności od ich funkcji wykonuje się na podstawie porównania otrzymanych wartości modułów odkształceń E 1,2 i wskaźnika odkształcenia I0 z wartościami wymaganymi. Reasumując wymagania zagęszczenia gruntów w nasypach i wykopach zawarte są w normie drogowej PN-S-02205:1998.
Zgodnie ze sztuką inżynierską przy ocenie prawidłowości zagęszczenia materiału należy kierować się uzyskaniem projektowanych wartości modułów odkształcenia podłoża E1 i E2 oraz, w zależności od rodzaju gruntu otrzymaniem prawidłowej wartości odkształcenia podłoża I0, która zależnie od rodzaju gruntu wynosi: dla gruntów piaszczystych I0 2,2 i Is 1,0, oraz I0 2,5 i Is < 1,0, dla gruntów drobnoziarnistych I0 2,0, dla gruntów różnoziarnistych I0 3,0, dla narzutów kamiennych rumoszy I0 4,0, dla gruntów antropogenicznych I0 - wyznacza się doświadczalnie, dla gruntów ulepszonych spoiwami I0 2,2. W realizacjach bardzo często spotyka się wymagania w przypadku budowy nasypów pod obiekty kubaturowe dotyczące wartości liczbowych modułów odkształcenia podłoża na poziomie E1> 60 MPa, E2 > 120 dla I0 2,5. 2.1.1. Metodyka badań Fot.3. Aparat VSS Badanie płytą VSS polega na pomiarze odkształceń pionowych (osiadań) badanej warstwy pod wpływem nacisku statycznego. Obciążenia są realizowane skokowo podobnie jak w przypadku badania edometrycznego. Przyrost obciążeń następuje co 50 kpa aż do osiągnięcia wartości 350 kpa, po czym następuje odciążanie i ponowne zadawanie obciążeń. Moduły odkształceń dla nasypów wyznacza się dla zakresu 150 250 kpa.
Odkształcenia powstałe w wyniku zadawanych obciążeń są odkształceniami trwałymi, związanymi z przemieszczeniami cząstek gruntu względem siebie na skutek poślizgu bądź toczenia oraz kruszeniem i pękaniem ziarn w miejscach styków, oraz sprężystymi polegającymi na odkształceniach poszczególnych cząstek. Jak wynika z doświadczeń, poślizg międzycząsteczkowy, powodujący przegrupowanie ziarn w masie gruntowej, wpływa w największej mierze na całkowite odkształcenia. Sprężysta praca materiału staje się istotna, gdy na skutek przemieszczeń ziarn (zagęszczania) masa gruntowa nabiera sztywności. Nieulepszone grunty spoiste, nawet w stanie zwartym, wykazują wtórny moduł odkształcenia, zazwyczaj poniżej 50 MPa (np. ił mioceński E2~38 MPa, glina zwałowa E2~27 MPa, mada pylasta E2~14 MPa), przy wskaźniku odkształcenia poniżej 2,0. Piaski średnie w stanie zagęszczonym (ID~0,7) wykazują wartości wtórnego modułu odkształcenia z przedziału 78,9 112,5 MPa, przy wskaźniku odkształcenia często poniżej 2,2. Piaski pomimo nawet dobrego zagęszczenia nie posiadają odpowiednio wysokiej nośności. Pospółki i żwiry, ze względu na znaczną zawartość frakcji żwirowej, osiągają nośność znacznie wyższą od piasków. Przeprowadzone na przestrzeni ostatnich 10 lat badania płytą VSS wskazują, że pospółki i żwiry mogą osiągać moduł odkształcenia wtórnego E 2 nawet ponad 200 MPa. Dla tego typu materiałów szczególnie istotnymi cechami są: kształt ziarn oraz uziarnienie. Wykazano, że dla danego stopnia zagęszczenia moduł odkształcenia materiału o ziarnach kanciastych będzie mniejszy niż takiego o ziarnach obtoczonych. Ziarna dobrze obtoczone (szczególnie kuliste) są bowiem znacznie mniej podatne na pękanie i kruszenie ich krawędzi. Grunty o nierównomiernym uziarnieniu zagęszczają się znacznie lepiej niż grunty równomiernie uziarnione, gdyż drobniejsze cząstki wnikają pomiędzy grubsze, wypełniając wolne przestrzenie W praktyce okazuje się, że skład petrograficzny żwirów i pospółek staje się bardzo istotny przy wykonywaniu pomiarów odkształceń płytą VSS. Otoczaki skał krystalicznych oraz kwarcytów wykazują znaczną kulistość względem dyskoidalnych i wrzecionowatych otoczaków piaskowcowych. Przyjęcie w normie jednego kryterium wskaźnika odkształcenia I0 2,2 oraz wtórnego modułu odkształcenia E2 120 MPa wspólnie dla piasków, pospółek i żwirów sprawia w praktyce duże trudności wykonawcom robót ziemnych w zakresie możliwości jednoczesnego dotrzymania wymaganych wartości obu wymienionych parametrów.
Rys.8. Zależność wskaźnika odkształcenia (I0) od wtórnego modułu odkształcenia (E2) dla nasypów z materiału dunajcowego. Obszar czerwony obejmuje wyniki spełniające kryteria normowe (E2 120 MPa i I0 2,2).Obszar zielony obejmuje wyniki dla przyjętych kryteriów (E2 145 MPa i I0 2,8). [3] Mechanizm odkształceń nasypów poddanych obciążeniu jest zagadnieniem złożonym, zależnym od wielu czynników (rodzaj podłoża, miąższość nasypu, znaczna zmienność materiału, nawet w obrębie jednego złoża). Znaczny rozrzut wyników wskaźnika odkształcenia wskazuje, że zachowanie się nasypów pod obciążeniem, dla różnych materiałów, jest zmienne, pomimo że badania wykonywano na nośnym podłożu rodzimym. Obecnie stosowane przepisy i normy nie dopuszczają możliwości indywidualnego doboru wielkości parametrów zagęszczenia i nośności nasypu w zależności od użytego kruszywa i jego cech jakościowych. Wydaje się, że celowe byłoby rozważenie dopuszczenia możliwości wyznaczania określonych parametrów jakości nasypów (np. I0) w odniesieniu do danego materiału. Jest to szczególnie istotne w przypadku, gdy określony materiał ze względu np. na skład petrograficzny, kulistość ziarn lub inne specyficzne cechy odróżnia się od większości kruszyw stosowanych w Polsce. 3. Płyty obciążane dynamicznie Płyta obciążana dynamicznie jest przeznaczona do badania nośności nie związanych warstw nośnych jako alternatywa lub uzupełnienie badania przyrządem VSS (badanie statyczne). Płyta dynamiczna spełnia wymogi technicznych przepisów kontrolnych dotyczących badań gruntu i skał w budownictwie drogowym. Przyrząd ten pozwala na szybkie ustalenie dynamicznego modułu odkształcenia Evd [MN/m2] wierzchniej warstwy nośnej.
Ocenę nośności można przeprowadzać dla gruntów o wielkości ziaren do 63mm i dynamicznym module odkształcenia równym Evd 125 MN/m2. Szczególną zaletą płyty dynamicznej jest to, że w przeciwieństwie do aparatu VSS nie wymaga ona zastosowania statywu i samochodu ciężarowego jako przeciwwagi. Z tego powodu płytę można stosować w trudniej dostępnych miejscach, takich jak odwierty, rowy, nasypy. Płyta znajduje zastosowanie w drogownictwie, kolejnictwie oraz budownictwie sieci kablowych, gazowych, wodno-kanalizacyjnych. 3.1. Metodyka badań Przed przystąpieniem do pomiarów płytę obciążającą należy starannie ułożyć na badanej powierzchni i połączyć z elektronicznym rejestratorem. Prowadnicę z ciężarkiem należy umieścić centralnie na kuli centrującej płyty. Przed opuszczeniem ciężarka należy podnieść go na wyznaczoną wysokość i zablokować mechanizmem spustowym znajdującym się w górnej części prowadnicy. Przed właściwym pomiarem należy wykonać trzy uderzenia wstępne zapewniające właściwy kontakt płyty z podłożem. Seria pomiarowa składa się z trzech kolejnych uderzeń. W czasie pomiaru na ekranie wskazywane są poszczególne amplitudy osiadania w mm. Następnie zostaje obliczona i wyświetlona wartość średnia z trzech kolejnych pomiarów oraz moduł odkształcenia dynamicznego. Rys. 4. Widok płyty obciążanej dynamicznie [6]
Istotą każdego badania pośredniego jest uzyskanie wyniku liczbowego parametru, dzięki któremu można w sposób bezpośredni wyznaczyć miary zagęszczenia gruntu, tj. I s oraz ID. W przypadku płyty dynamicznej uzyskuje się parametr zagęszczenia w postaci modułu dynamicznego, na podstawie którego można wyznaczyć wartość wskaźnika zagęszczenia Is oraz wartość wtórnego modułu odkształcenia gruntu E2. W Polsce stosuje się niemieckie wytyczne do przeliczania wartości modułu dynamicznego na opisane powyżej parametry gruntu (tab. 3 i 4). Tablica 3. Zestawienie wartości modułu dynamicznego w odniesieniu do Is i E2, według (niemieckiej literatury) Tablica 4. Zestawienie wartości modułu dynamicznego w odniesieniu do Is, E2
Tablica 5. Zestawienie wartości modułu dynamicznego w odniesieniu do wymagań ZTVT 4. Uwagi praktyczne: 1) Wpływ różnoziarnistości gruntu Skład ziarnowy mieszanki gruntowej i stąd wynikający wskaźnik różnoziarnistości U ma zasadniczy wpływ na zagęszczanie gruntów i jego maksymalny ciężar objętościowy szkieletu gruntowego (ɣdmax) oraz minimalny (ɣdmin). Grunty niespoiste zawierające dużo cząstek pylastych (>5%) zagęszczają się gorzej w trakcie wibracji. Lepsze efekty uzyskuje się tutaj metodą ubijania. Na zagęszczalność ma też wpływ grubość żwiru. Przy grubszym uziarnieniu uzyskać można większą wartość (ɣdmax) i (ɣdmin) oraz większe porowatości minimalne. Z dotychczasowych badań wynika, że ze wzrostem U maleje jednocześnie porowatość gruntu (nmin) i grunty zagęszczają się lepiej.
Rys.9. Wykres zależności porowatości minimalnej nmin od wskaźnika różnoziarnistości U piasku. 2) Wpływ kształtu i obtoczenia ziarn. Grunty o ziarnach kulistych i gładkich mają mniejszą porowatość minimalną w porównaniu z gruntami ostrokrawędzistymi i nieobtoczonymi, przez co wymagają mniejszego przyspieszenia wibracji. 3) Wpływ wilgotności. Wilgotność gruntu jest kardynalnym czynnikiem wpływającym na jakość zagęszczenia. Najlepsze wyniki osiąga się przy wilgotności optymalnej. 4) Wpływ zawartości frakcji ilastej i pylastej. Konieczność zbadania wpływu cyklicznych obciążeń na zachowanie się ośrodka gruntowego została spowodowana obserwowanymi w przeszłości licznymi katastrofami budowli w wyniku trzęsień ziemi. Zwrócono przy tym uwagę iż zjawisko zniszczenia gruntu przy cyklicznych obciążeniach ma zgoła inny charakter, co związane jest z trój-, a nawet w szczególnym przypadku z dwufazowością ośrodka i zachodzi poprzez tzw. upłynnienie. Jest to stan, w którym grunt traci całkowicie swą wytrzymałość na ścinanie i zachowuje się jak ciecz. Jest to typowe zjawisko tiksotropii czyli przechodzenia gruntów o dużej zawartości drobnych cząstek w płynną zawiesinę. Bardzo niepożądane szczególnie przy zagęszczaniu warstw gruntowych lub poddanych wstrząsom lub cyklicznym oddziaływaniom ruchu, wreszcie wibracjom. Mowa tu nie tylko o dużej zawartości frakcji ilastych lecz również frakcji pylastej. W tego typu gruntach cząstki iłowe i koloidalne tworzą pomiędzy strukturą o grubszych frakcjach spoiwa w postaci ciągłej siatki przestrzennej. Wadą tego typu wiązania jest mała odporność na uplastycznienie gruntu lub nawet upłynnienie w warunkach oddziaływania obciążeń dynamicznych.
Proces rozchodzenia się fal sprężystych w podłożu gruntowym należy do zagadnień bardzo skomplikowanych. Dlatego też, podobnie zresztą jak w innych dziedzinach, częstotliwość drgań własnych podłoża gruntowego jest taką częstotliwością, której najbardziej sprzyja grunt w propagowaniu się drgań i której towarzyszą największe amplitudy przy tej samej sile wzbudzania. Oczywistym jest, że dla tego samego gruntu inne są częstotliwości dla składowych pionowych i poziomych drgań. Częstotliwości drgań własnych rezonansowe dla typowych gruntów. Częstotliwość drgań [Hz] pionowych poziomych bez Rodzaj podłoża podziału Grunt bagnisty Ił, glina i grunty gliniaste w zależności od wytrzymałości Piaski w zależności od miąższości warstwy Żwir w zależności od miąższości warstwy Grunty skaliste 4 15 28 15 28 5 10 19 26 5 15 5 18 23 30 32 7 20-7 22 40-90 Znajomość częstotliwości własnych pozwala w praktyce inżynierskiej uniknąć nadmiernych drgań lub dynamicznych osiadań (poprzez eliminowanie drgań rezonansowych ). Zależy ona również od np. masy wibratora i jego mechanicznych właściwości, rozkładu obciążeń przenoszonych z wibratora na podłoże, kontaktu jego z podłożem oraz od gęstości i sztywności podłoża. Ścisły związek z częstotliwościami rezonansowymi mają również mikrosejsmy, drgania gruntu ( od ruchu pojazdów i maszyn). Są to drgania rzędu 0,1 1 μm i o okresach 0,05 1,2 sek. 5) Wpływ amplitudy drgań. Amplitudę drgań należy dobierać w zależności od uziarnienia i wilgotności gruntu, wartości sił tarcia między cząsteczkami oraz od kształtu ziarn gruntu. Ze zwiększeniem średniej wielkości ziarn, podobnie jak ze zmniejszeniem wilgotności, powinna wzrastać amplituda drgań. Amplituda drgań powinna być także większa przy ziarnach ostrokrawędzistych niż przy ziarnach obtoczonych. Amplituda drgań nie może być zbyt duża, gdyż przy zagęszczaniu cząstki gruntu przemieszczają się chaotycznie, co w rezultacie może powodować rozluźnienie się zagęszczonej masy gruntu. Dopuszczalna wartość amplitudy dla gruntów niespoistych powinna wynosić 0,3-0,4 mm. Uwaga - wpływ amplitudy na zagęszczenie gruntów nie jest jednoznacznie wyjaśniony.
6) Wpływ częstotliwości drgań. Częstotliwość drgań powinna być ściśle uzależniona od amplitudy drgań, w celu zapewnienia niegasnącego charakteru drgań. Zwiększeniu częstotliwości drgań powinno odpowiadać zmniejszenie amplitudy. Częstotliwość ma praktycznie niewielki wpływ na zagęszczenie (minimalna porowatość) gruntów suchych. Najmniejszą porowatość n min otrzymuje się przy częstotliwości 22 33 Hz. Największy wpływ na wartość n min ma grubość uziarnienia; ze wzrostem grubości uziarnienia wartość nmin rośnie. 7) Wpływ przyspieszenia drgań. Panuje powszechny pogląd, że przyspieszenie drgań jest głównym czynnikiem dla dobrego zagęszczenia gruntu. Jeśli grunt był wstępnie zagęszczony przy określonej wielkości przyspieszenia, to wibrowanie przy mniejszym przyspieszeniu nie może powodować już dalszego zagęszczenia. Wymagane przyspieszenie do uzyskania minimalnej porowatości jest większe przy wysokiej częstotliwości wibracji niż niskiej i większe przy większych obciążeniach. Grunty wilgotne wykazują wzrost zagęszczenia ze wzrostem przyspieszenia drgań. Łatwiejsze zagęszczenie gruntów przy większym przyspieszeniu drgań spowodowane jest znacznym zmniejszeniem się tarcia wewnętrznego między ziarnami gruntu. Przy tym samym przyspieszeniu drgań, większy stopień zagęszczenia ID uzyskuje się dla piasków drobnych niż grubych. 8) Wpływ obciążenia statycznego. Wpływ obciążenia statycznego na zagęszczenie wibracyjne zależy od uziarnienia gruntu, przyspieszenia drgań, częstotliwości i amplitudy drgań. Wzrost obciążenia statycznego powoduje konieczność zwiększenia przyspieszenia wibracji potrzebnego do uzyskania maksymalnego zagęszczenia, a to wiąże się ze wzrostem częstotliwości lub amplitudy drgań. Wpływ obciążenia na wibracyjne zagęszczenie jest większy w przypadku gruntów wilgotnych niż suchych. Grunty niespoiste przy wilgotności ok. (0,3 0,5) w opt zagęszczają się najtrudniej. 9) Wpływ czasu wibracji. Zagęszczenie gruntu zwiększa się ze wzrostem czasu wibracji aż do wartości ɣdmax. Czas wibracji potrzebny do osiągnięcia ɣdmax zależy od uziarnienia gruntu, wilgotności gruntu, obciążenia i zastosowanej metody zagęszczania. Czas potrzebny do uzyskania minimalnej porowatości gruntu o uziarnieniu 0,7 1,0 mm powinien zasadniczo wynosić ponad 15 min i zależy od amplitudy i rodzaju gruntu. Czas wibracji potrzebny do ustalenia się zagęszczenia piasku zależy także od obciążenia statycznego i przyspieszenia wibracji próbki gruntu i wynosi od ok. 5 do 15 min.
10) Wpływ energii zagęszczania. Zagęszczenie gruntu metodą wibracyjną (zagęszczanie powierzchniowe) zależy od przekazywanej energii. Przekazywana energia, a nie przyspieszenie, jest głównym parametrem wpływającym na zagęszczenie. Ze wzrostem energii wzrasta zagęszczenie, jest więc ona czynnikiem decydującym o zagęszczeniu gruntu. Rys.10. Wykres zależności osiadania całkowitego od przyspieszenia drgań i przekazywanej energii: a- przyspieszenie drgań urządzenia, g- przyspieszenie ziemskie. [7] Rys.11. Określanie maksymalnej głębokości zagęszczenia dla różnych technik.[1]
Konkludując powyższe, można stwierdzić, że zagęszczanie wibracyjne jest procesem niezwykle wydajnym, umożliwiającym zagęszczenie gruntów mało spoistych warstwami o grubości przekraczającej 1,0 m!!! Literatura: 1. Arquie G.: Zagęszczanie. Drogi i pasy startowe. WKiŁ. Warszawa 1980, 2. Biernatowski K. [i in.]: Fundamentowanie. Tom I. Arkady, Warszawa 1987, 3. Bardel T.: Ocena wyników badań płytą VSS kruszywa ze złóż aluwialnych z rejonu Tarnowa. Górnictwo i geologia, Zeszyt 2, T.2,2012 r., 4. Materiały z konf.: Podłoże i fundamenty budowli drogowych. IBDiM, Kielce 2012, 5. Pałys F.,Smoręda Z.: Poradnik technika melioranta. PWRiL. W-wa 1986, 6. Prospekt Merazet Budownictwo i geodezja 2012 r., 7. Pisarczyk S.: Geoinżynieria. Metody modyfikacji podłoża gruntowego. OWPW. Warszawa 2005